JP4747984B2 - 触媒劣化量推定方法及び触媒劣化量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒の使用時における触媒温度とその触媒温度の維持時間を検出し、その維持時間内の触媒の劣化速度から劣化増分量を算出し、この劣化増分量を積算して触媒の劣化度合の推定及び触媒の寿命を精度よく推定できる触媒劣化量推定方法及び触媒劣化量推定装置に関する。

自動車の排気ガス規制に対応するため、エンジンの排気管途中に、炭化水素（ＨＣ），一酸化炭素（ＣＯ）を低減する酸化触媒、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ:Selective Catalystic Reduction ）、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等のリーンＮＯｘ触媒（ＬＮＴ:Lean NOx Trap）等の還元触媒装置が使用されている。

これらの触媒は、使用温度、使用時間によって酸化・還元機能等の触媒能力が劣化するが、簡易的に正確に予測する手段は現状では開発されておらず、その劣化度合を簡単に精度良く予測することは困難である。また、エンジンや車両の使用方法は千差万別であるため、触媒の寿命を一義的に走行距離何万キロや走行時間何千時間と決めることも実情に反している。そのため、触媒の寿命に関する判断は、安全側を見るため余裕を過剰に見積る傾向にある。

従って、ユーザーやディーラー等で行う定期的な車検やメンテンス時期に使用経歴から、触媒の劣化度合や触媒寿命を簡易的に精度よく推定できる方法や装置があれば、適切な使用、あるいは、異常な使用によって、触媒の劣化が著しく進行した場合でも、適切な交換時期を判断できることになるので、極めて有効な手段となり得る。

そのため、例えば、１０秒毎にリーンＮＯｘ触媒（ＬＮＴ）の温度を測定し、その温度に基づいて劣化係数マップから劣化係数を算出し、この劣化係数の積算値を劣化度とすることで触媒劣化を判断する触媒劣化度検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、触媒の劣化を触媒物質の相変化や化学反応の結果として捉えると、本来、劣化係数は温度に対してアレニウス型の指数関数を用いた式で計算される値を示すと考えられているため、上記の触媒劣化度検出装置で提案されているような、触媒温度に対する劣化係数の振り付けを特定の温度以下では定数、特定の温度以上では温度に対する一次関数で劣化係数を与えて劣化度を判断する場合には、誤差が大きくなり、劣化判定の根拠に用いることは不適当であるという問題がある。

また、排気ガス中の酸素濃度及び三元触媒の温度から、排気ガス浄化率の変化から計算式に基づいて触媒の劣化速度を算出し、この触媒の劣化速度を用いて単位時間当たりの三元触媒の劣化進行度合を求め、この劣化進行度合の積算値に基づいて三元触媒の劣化を判断する触媒の劣化判定装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、この触媒の劣化判定装置では、使用温度に対する劣化速度を、アレニウス型の指数関数で表しているが、アレニウス型の式の「ｅｘｐ（−Ｂ／Ｔ）」のＢを定数として扱っている。そのため、触媒の劣化の進行に対して、各温度での劣化進行速度が常に一定値となるために、過去の使用履歴の影響を取り入れることができないという問題がある。

一般的な現象として、実験例等で触媒の劣化度合は、使用履歴（熱履歴）に伴って、使用開始初期は劣化速度が速く、徐々に劣化速度が遅く緩やかになり、触媒は使用開始後より時間の経過と共に劣化（性能低下）の進行が遅くなる傾向を示すことが知られている。つまり、上記のＢの値は、一定値ではなく、使用時間が延びて劣化が進行するに従って、徐々に大きくなる傾向を示す。

従って、過去の熱履歴の影響を考慮しないで、「ｅｘｐ（−Ｂ／Ｔ）」のＢを定数とする判定ロジックを使用すると、実際の劣化の進行とは異なり、触媒の劣化状況を過大又は過少に評価することとなる。そのため、触媒劣化状況を判断する方法としては、精度が悪く、実用的ではないという問題がある。
特開平０７−１１９４４７号公報 特開平０９−１７７５４４号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、触媒の劣化度合と寿命を精度よく推定できる触媒劣化量推定方法及び触媒劣化量推定装置を提供することにある。

上記のような目的を達成するための触媒劣化量推定方法は、触媒の使用時の触媒温度と該触媒温度の維持時間を基に、該維持時間内での触媒の劣化増分量を、触媒の劣化速度に前記維持時間を乗じた値として算出し、前記維持時間内での前記劣化増分量を触媒使用開始時から触媒の劣化量の推定時まで積算した値を、該推定時までの触媒の劣化量とすると共に、前記各維持時間における前記劣化速度を前記各維持時間における触媒の劣化量と前記各維持時間における触媒温度に対応して変化させることを特徴とする。

この方法によれば、劣化速度を一定にすることなく、各維持時間における触媒の劣化量と各維持時間における触媒温度に対応して変化させるので、劣化速度に、劣化量を介して熱履歴の影響を入れることができ、劣化量の推定精度を高めることができる。

上記の触媒劣化量推定方法において、前記維持時間内における、前記触媒温度をＴ_i （℃）、前記劣化速度をＶ_i 、前記劣化量をＲ_i とした時に、前記劣化量Ｒ_i に応じて決まる係数Ｋ_i を用いて、前記劣化速度Ｖ_i を、Ｖ_i ＝ｅｘｐ（−Ｋ_i ／（Ｔ_i ＋２７３））で算出すると、劣化速度を各維持時間における触媒の劣化量と各維持時間における触媒温度に対応して変化させて、アレニウス型の指数関数で精度良く算出できる。つまり、係数Ｋを過去の熱履歴を数値化して劣化量Ｒ_i のパラメータとした関数等で与えるため、劣化速度に、熱履歴（劣化量）を反映させることができる。そのため、使用初期の劣化速度が早く、徐々に鈍化する触媒の特性をより良く近似でき、寿命予測の精度を大幅に向上することができる。

上記の触媒劣化量推定方法において、前記係数Ｋ_i と前記劣化量Ｒ_i との関係を、対象とする触媒を所定の一定温度Ｔｅで所定の時間Δｔｙ維持した後に、単一又は複数の実用的な所定の浄化温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・で浄化率ｒｙを測定することを繰り返して、経過時間ｔｙと浄化率ｒｙとの関係を求める浄化率測定試験から得られるデータを基に設定すると、劣化が進行し易い比較的高温（例えば、８００℃）の所定の一定温度で一定時間の温度履歴を与えた浄化率測定試験の結果を基に、係数Ｋ_i と劣化量Ｒ_i との関係を比較的容易に求めることができ、比較的、浄化率測定のための測定時間を短くできる。

上記の触媒劣化量推定方法においては、前記所定の一定温度Ｔｅでの経過時間の区間Δｔｙ_i における劣化増分量Δｒｙ_i を用いて、経過時間の区間Δｔｙ_i における劣化速度Ｖ_i （Ｔｅ）をＶ_i （Ｔｅ）＝Δｒｙ_i ／Δｔｙ_i で算出し、経過時間の区間Δｔｙ_i における前記係数Ｋ_i を、Ｋ_i ＝−（Ｔｅ＋２７３）×Ｌｎ（Ｖ_i （Ｔｅ））で算出すると共に、経過時間の区間Δｔｙ_i における劣化量Ｒｉを前記経過時間ｔｙと前記浄化率ｒｙの関係から算出し、経過時間の区間Δｔｙ_i における前記係数Ｋ_i と前記劣化量Ｒ_i の関係から、前記係数Ｋ_i を前記劣化量Ｒ_i に応じて決めると、この決定方法により、係数Ｋ_i を劣化量Ｒ_i の近似式による関数表示としたり、マップデータ化したりすることができる。

そして、上記のような目的を達成するための触媒劣化量推定装置は、触媒の使用時の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、前記触媒温度の維持時間を検出する維持時間検出手段と、演算手段を備え、該演算手段が、前記触媒温度検出手段で検出した触媒の使用時の触媒温度と、前記維持時間検出手段で検出された前記触媒温度の維持時間を基に、該維持時間内での触媒の劣化増分量を、前記触媒温度における触媒の劣化速度に前記維持時間を乗じた値として算出し、前記劣化増分量を触媒使用開始時から触媒の劣化量の推定時まで積算した値を、該推定時までの触媒の劣化量とすると共に、前記各維持時間における前記劣化速度を前記各維持時間における触媒の劣化量と前記各維持時間における触媒温度に対応して変化させるように構成される。

この装置によれば、劣化量が推定できるので、この劣化量から簡易的に寿命の推定予測ができ、触媒のメンテナンス時期を知ることができる。しかも、劣化速度を一定にすることなく、各維持時間における触媒の劣化量と各維持時間における触媒温度に対応して変化させるので、劣化速度を熱履歴を変数として扱うことができる。そのため、精度良く劣化速度を算出でき、高い精度で劣化量を推定することができる。

上記の触媒劣化量推定装置において、前記演算手段が、前記維持時間内における、前記触媒温度をＴ_i （℃）、前記劣化速度をＶ_i 、前記劣化量をＲ_i とした時に、前記劣化量Ｒ_i に応じて決まる係数Ｋ_i を用いて、前記劣化速度Ｖ_i を、Ｖ_i ＝ｅｘｐ（−Ｋ_i ／（Ｔ_i ＋２７３））で算出するように構成すると、劣化速度を使用時の触媒の劣化量と使用時の触媒温度に対応して変化させて、アレニウス型の指数関数で精度良く算出できる。つまり、劣化速度に、熱履歴（劣化量）を反映させることができる。

上記の触媒劣化量推定装置で、前記演算手段において、前記係数Ｋ_i と前記劣化量Ｒ_i との関係が、対象とする触媒を所定の一定温度Ｔｅで所定の時間Δｔｙ維持した後に、単一又は複数の実用的な所定の浄化温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・で浄化率ｒｙを測定することを繰り返して、経過時間ｔｙと浄化率ｒｙとの関係を求める浄化率測定試験から得られるデータを基に設定されているように構成すると、劣化が進行し易い比較的高温（例えば、８００℃）の所定の一定温度で一定時間の温度履歴を与えた浄化率測定試験の結果を基に、係数Ｋ_i と劣化量Ｒ_i との関係を比較的容易に求めることができ、比較的、浄化率測定のための測定時間を短くできる。

上記の触媒劣化量推定装置で、前記演算手段において、前記所定の一定温度Ｔｅでの経過時間の区間Δｔｙ_i における劣化増分量Δｒｙ_i を用いて、経過時間の区間Δｔｙ_i における劣化速度Ｖｉ（Ｔｅ）がＶｉ＝Δｒｙ_i ／Δｔｙ_i で算出され、経過時間の区間Δｔｙ_i における前記係数Ｋ_i が、Ｋ_i ＝−（Ｔｅ＋２７３）×Ｌｎ（Ｖ_i （Ｔｅ））で算出されると共に、経過時間の区間Δｔｙ_i における劣化量Ｒｉが前記経過時間ｔｙと前記浄化率ｒｙの関係から算出され、経過時間の区間Δｔｙ_i における前記係数Ｋｉと前記劣化量Ｒｉの関係から、前記係数Ｋｉが前記劣化量Ｒｉに応じて決めるように設定されているように構成される。

上記の触媒劣化量推定装置において、更に、前記演算手段で算出された結果を表示する表示部を備え、前記劣化量Ｒｉを予め設定された寿命劣化量Ｒｅで除して算出された劣化度合Ｒｉ／Ｒｅと、触媒の熱履歴中の最高温度の少なくとも一方を、前記表示部に表示するように構成されると、表示された劣化度合を見ることにより、運転者、使用者、検査者等が、予め設定された寿命とされる劣化量に対し、どれだけ劣化が進行しているのかを知ることができ、適切な交換時期を把握することができる。

また、熱履歴の最高温度の表示により、この最高温度を、触媒に関する問題が発生した時の簡単な調査を可能とする解析用データとして使用できる。例えば、エンジンのメンテナンスが悪く、エアクリーナが詰まった状態で長時間運転したり、排気管に異物が詰まった状態で長時間運転したりして、排気ガス温度が通常では到達しない温度まで上昇し、触媒が早期に劣化するような不測の事態が起きた場合等の状況を知ることができる。従って、触媒の寿命の表示が早期になされている場合や、排気エミッションが悪化している場合等で、異常高温が記録されている場合は、原因がユーザーの保守管理に起因するものと推定することでき、また、異常高温が記録されていない場合は、製品の不良等に起因するものと推定することができる。

本発明に係る触媒劣化量推定方法及び触媒劣化量推定装置によれば、触媒の熱履歴において、触媒の使用温度が略一定の維持時間（使用時間）を検出し、その時の触媒の代表温度（触媒温度）とその時の触媒の劣化量とに応じた劣化速度を用いて、その維持時間の間における触媒の劣化増分量を算出し、この劣化増分量を順次積算することにより、触媒の劣化量を推定して、劣化度合や寿命を推定するので、触媒の劣化度合と寿命を精度よく推定できる。そのため、市場でのエンジン負荷履歴等によって大きく変わる触媒の寿命を簡易的に精度よくモニターでき、適切な時期に交換の必要性を表示したり警告したりすることができる。また、熱履歴中の最高温度を表示することで、異常高温等の履歴を生じた際にも適切に対応できるようになる。

従って、長時間走行したエンジンにおいても触媒のメンテナンスの必要性の有無を実際の触媒の劣化度合に合わせて、適切な時期に警告することができるので、クリーンな排気ガスを維持することができる。

以下、本発明に係る実施の形態の触媒劣化量推定方法及び触媒劣化量推定装置について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この触媒劣化量推定装置１は、エンジン２の排気通路３に設けられた触媒４の温度を検出する温度センサ（触媒温度測定手段）５と、この温度センサ５の検出値を入力し、演算とデータの記憶を行う演算装置（コンピュータ：維持時間検出手段、演算手段、表示部）６を有して構成される。

図１の構成では、触媒４の担持体（ハニカム等）に取り付けた温度センサ５により触媒温度を測定するが、この場合は、触媒４の長手方向、径方向のそれぞれの中央部近傍に温度センサ５を取り付けるのが好ましい。なお、触媒４に温度センサ５を取り付けることは一般的には難しいので、触媒４の入口と出口の排気ガス温度を２つの温度センサ（図示しない）で測定し、その平均値を触媒温度としてもよい。この場合は、触媒４の本体の熱容量の影響により実際の触媒温度は、排気ガスの温度に対して応答遅れを持つので、触媒４の担持体の温度を用いる場合よりも精度が悪くなる。

また、演算装置６は、触媒温度が所定の温度範囲内にあった維持時間を検出する維持時間検出手段と各種データの算出やデータの入出力を行う演算手段とを備えて形成されると共に、算出された触媒の劣化度合（予測寿命）及び触媒の熱履歴の最高温度を表示する表示部６ａを有して構成される。この演算装置６は、通常エンジンを制御する制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）のコンピュータを使用したり、このコンピュータに組み込まれてもよいが、別に専用のコンピュータを使用することが好ましい。別の専用コンピュータで構成すると、触媒温度を入力できさえすれば、既存のエンジン制御システムと関係なく、触媒４の劣化度合（寿命）や熱履歴における最高温度を表示できるようになるので便利である。

次に、本発明における、劣化速度Ｖ、劣化量Ｒ、劣化度合Ｒ／Ｒｅ、寿命等の算出方法について説明する。最初に、本発明の劣化判定に使用する劣化速度の基となるデータについて説明する。このデータとしては、所定の一定温度Ｔｅにおける触媒の浄化率ｒｙの変化を求めた浄化率測定試験結果のデータを用いる。この浄化率測定試験では、劣化度合Ｒ／Ｒｅの推定及び判定の対象となる触媒を、熱劣化が生じやすい比較的高温の所定の一定温度Ｔｅ（例えば、８００℃）に維持して熱劣化試験を行う。

この熱劣化試験は、所定の一定温度Ｔｅで所定の時間Δｔｙ₁ （例えば、図３では、０ｈ、１００ｈ、１５０ｈ、２５０ｈ）経過した後に、実用的な触媒温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・・・での浄化率ｒｙ₁ を測定しては、また、同じ所定の一定温度Ｔｅで次の所定の時間Δｔｙ₂ （Δｔｙ₁ と同じでも異なっていても良い。例えば、図３では、１００ｈ、１５０ｈ、２５０ｈ、５００ｈ）経過した後に、前と同じ実用的な触媒温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・・・で浄化率ｒｙ₂ を測定する。これを繰り返して、図３に示すような、所定の一定温度Ｔｅにおける経過時間ｔｙ（例えば、図３では、０ｈ（Fresh ）、１００ｈ、２５０ｈ、５００ｈ、１０００ｈ）別の触媒温度Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 ・・・・と浄化率ｒｙの関係を求める。

次に、実機で使用される場合の代表的な温度Ｔａ（図３ではＴａ＝Ｔ２）を設定する。この代表的な温度Ｔａは対象とする触媒が同じであっても、この触媒の配置環境やエンジンの種類等によって触媒の使用温度が異なってくるため、使用温度の代表値Ｔａはエンジンの種類や触媒の配置環境などによって異なるので、それぞれのエンジンや車種によって適切な温度を選択して設定する。

図３の温度Ｔａと経過時間ｔｙ（０ｈ（Fresh ）、１００ｈ、２５０ｈ、５００ｈ、１０００ｈ）の線との交点（黒丸）から、経過時間ｔｙに対するこの温度Ｔａにおける浄化率の変化の図、即ち、図４に示すような、所定の一定温度Ｔｅにおける経過時間ｔｙと実用的な温度Ｔａでの浄化率ｒｙの関係（白丸：点線）の図を作成する。例えば、Ｔａが１７０℃の場合は図４そのものとなる。更に、これを元に、経過時間ｔｙと浄化率ｒｙの初期値ｒｙ０に対する変化割合ｒｚ（＝ｒｙ／ｒｙ０）の関係（黒丸：実線）を求める。

次に、この図４の経過時間ｔｙと浄化率ｒｙの関係から、この所定の一定温度Ｔｅにおける劣化速度Ｖ（Ｔｅ）を求める。この劣化速度Ｖ（Ｔｅ）は、浄化率ｙの変化量（その間の劣化増分量ΔＲ）をその間の経過時間Δｔｙで割り算したものである。即ち、劣化速度Ｖ＝（浄化率変化量／変化に要した時間）＝（劣化増分量／その間の経過時間）＝（ΔＲ／Δｔｙ）である。

この劣化速度Ｖ（Ｔｅ）は、触媒温度が所定の一定温度Ｔｅであっても、その時の劣化量Ｒ、言い換えれば、経過時間ｔｙによって異なるので、経過時間ｔｙを区切ってその間の変化に要した時間Δｔｙ_i に対しての劣化速度Ｖ_i （Ｔｅ）を算出する。例えば、経過時間ｔｙ₁ 〜経過時間ｔｙ₂ の浄化率はｒｙ₁ からｒｙ₂ に低下しているので、この区間の劣化量ΔＲ₁ は（ｒｙ₁ −ｒｙ₂ ）となり、劣化速度Ｖ₁ （Ｔｅ）は、Ｖ₁ （Ｔｅ）＝（ｒｙ₁ −ｒｙ₂ ）／（ｔｙ₂ −ｔｙ₁ ）となる。

図５に、この劣化速度Ｖ（Ｔｅ）の初期値Ｖ₀ （Ｔｅ）に対する劣化進行後の劣化速度Ｖ_i （Ｔｅ）の割合ｒｖ（＝Ｖ_i （Ｔｅ）／Ｖ₀ （Ｔｅ））と劣化量Ｒ_i との関係（白丸：点線）を示す。なお、この劣化量Ｒ_i は、各経過時間の区間の劣化量ΔＲ_i の積算値となるので、Ｒ_i ＝ΣΔＲ_j ，（ここで、ｊ＝１〜ｉ−１）となる。

そして、熱履歴に対する触媒の劣化は温度依存性が極めて強くアレニウス型の傾向を示す場合が多いので、この劣化速度Ｖ（Ｔｅ）をアレニウス型の指数関数の式で表すことにして、Ｖ（Ｔｅ）＝ｅｘｐ（−Ｋ／（Ｔｅ＋２７３））と係数Ｋを用いて表わすことにする。なお、（Ｔｅ＋２７３）はＴｅ℃を絶対温度（Ｋ°）表示したものである。

これから、所定の一定温度Ｔｅでの経過時間の区間Δｔｙ_i における係数Ｋ_i は、Ｋ_i ＝−（Ｔｅ＋２７３）×Ｌｎ（Ｖ_i （Ｔｅ））＝−（Ｔｅ＋２７３）×Ｌｎ（（ｒｙ_i −ｒｙ_i+1 ）／（ｔｙ_i+1 −ｔｙ_i ））となる。ｉ＝１の場合は、Ｋ₁ ＝（Ｔｅ＋２７３）×Ｌｎ（（ｒｙ₁ −ｒｙ₂ ）／（ｔｙ₂ −ｔｙ₁ ））となる。これを経過時間ｔｙを変えて繰り返すことにより、図４の所定の一定温度Ｔｅ（例えば、８００℃）における熱劣化試験結果から、所定の一定温度Ｔｅにおける経過時間ｔｙに対する係数Ｋの値を算出することができる。

図５に、この算出結果の係数Ｋ_i を、劣化量Ｒ_i に対して、劣化進行後のＫ値（黒丸：実線）として示す。このＫ値は、劣化量Ｒ_i に関する、Ｋ_i ＝Ｋ（Ｒ_i ）＝４８５９０×Ｒ_i ³ −４５８８５×Ｒ_i ² ＋１４７５９×Ｒ_i ＋６６９４．２の三次式で近似できる。この三次式の各係数は、図４の試験結果に基づくものであり、各触媒に対する浄化率測定試験結果のデータによって変化する。このＫの近似式は、必ずしも三次式とする必要はなく、データ数や近似度の要求精度に応じて適当な次数の近似式とする。

次に、任意の触媒温度Ｔ_i における劣化速度Ｖ_i の算出方法について説明する。本発明では、所定の一定温度ＴｅにおけるＫ値を用いて、車両搭載時の場合のように触媒温度Ｔ_i が大きく変化するような条件に対しても、触媒温度Ｔ_i に対する劣化速度Ｖ_i を算出する。ここでは、この使用温度Ｔ_i に対する劣化速度Ｖ_i を、Ｖ_i ＝Ｖ（Ｔ_i ）＝ｅｘｐ（−Ｋ_i ／（Ｔ_i ＋２７３））とし、劣化量Ｒ（＝ΣΔＲ_j ）が同じ時の係数Ｋを用いて算出する。従って、この係数Ｋは、劣化量Ｒに基づいて算出されることになる。つまり、本発明では、劣化量Ｒに応じた係数Ｋを用いることにより、使用温度が異なる条件での劣化速度を精度よく算出するようにしている。

次に、この図４に示すような経過時間ｔｙと浄化率ｒｙの初期値ｒｙ０に対する変化割合ｒｚの関係に関して、触媒の寿命を設定する。ここで、寿命劣化率ｒｅ％に対するｒｅ％性能低下寿命を浄化率ｒｙが初期値ｒｙ０に比べてｒｅ％劣化、即ち、初期値ｒｙ０の（１００−ｒｅ）％に達した時と定義する。つまり、１５％性能低下寿命（ｒｅ＝１５）は浄化率ｒｙが初期値Ｒｙ０の８５％となった時をいう。この寿命劣化率ｒｅ％は１５％、２０％、２５％等任意に設定できるが、排気ガスの規制等を考量して適切な値に設定する。

そして、この触媒の寿命に関する寿命劣化率ｒｅ％の設定により、触媒の初期浄化率性能をベースにして浄化率ｔｙが初期値ｔｙ０に対してｒｅ％低下する時間を寿命時間ｔｍａｘとして、ｒｅに対応する経過時間ｔｙである寿命時間ｔｍａｘを設定する。Ｔａが１７０℃の場合は、図４に示すような経過時間ｔｙと浄化率ｒｙの初期値ｒｙ０に対する変化割合ｒｚの関係（Ｂ：黒丸：実線）から算出される。図４では１５％（＝ｒｅ）低下のｔｍａｘを求めている。

次に、寿命劣化率ｒｅ％と寿命時間ｔｍａｘとから、係数Ｋを、Ｋ＝−（Ｔｅ＋２７３）×Ｌｎ（（ｒｅ／１００）／ｔｍａｘ）の式で算出し、寿命劣化量Ｒｅを、Ｒｅ＝ｒｅ／１００で算出する。つまり、１５％低下寿命であればＲｅ＝０．１５となる。この寿命劣化量Ｒｅを触媒の浄化率ｒｙが初期値ｒｙ０のｒｅ％低下に達する時の触媒寿命の指標値とする。

次に、上記の事前データの準備後の稼働開始後の劣化量Ｒの算出について説明する。本発明では、触媒温度Ｔ_i が略一定の時はその時の触媒の劣化量Ｒ_i に応じた劣化速度Ｖ_i を用いて、この劣化速度Ｖ_i にその触媒温度Ｔ_i における維持時間（その間の経過時間）Δｔｙ_i を乗じてその維持時間Δｔｙ_i 中の触媒の劣化増分量ΔＲ_i を算出し、この劣化増分量ΔＲ_i をこの維持時間前の劣化量Ｒ_i に加算することにより、その維持時間Δｔｙ_i 後の劣化量Ｒ_i+1 を求めている。この算出方法を、より詳細に説明すると次のようになる。

最初に、触媒温度Ｔ_i とその維持時間Δｔｙ_i を求める方法について説明する。触媒温度Ｔｘの計測時間ごとにこの劣化量Ｒの算出を行うこともできるが、計算量が多くなるので、ここでは、次のようにして、触媒温度Ｔ_i とその維持時間Δｔｙ_i を算出する。図６に示すような触媒温度Ｔｘの時系列があった場合に、触媒温度ＴｘをΔＴａ（図６では１０℃）毎に区分した温度区分領域を設定し、触媒温度Ｔｘがこの温度区分領域内にあった時間をその区分領域における維持時間Ｔｙとする。図６では維持時間Ｔｙ_k の温度区分は１１０℃〜１２０℃であり、この温度区分での触媒温度Ｔ_i を区間の中央値の１１５℃として近似計算を行う。次の維持時間Ｔｙ_k+1 の温度区分は１２０℃〜１３０℃であり、この温度区分での触媒温度Ｔ_i を１２５℃とする。このようにして、実際の触媒温度（実線）Ｔｘを点線の触媒温度Ｔ_i の時系列で近似して計算を行う。

最初の区間では、触媒の劣化は進行していないので、最初の劣化量Ｒ₁ はゼロである。そのため、最初の触媒温度（使用温度）Ｔ₁ と維持時間（その区間の経過時間）Δｔｙ₁ が決まると、最初の係数Ｋ₁ はＫ₁ ＝Ｋ（Ｒ₁ ＝０）＝６６９４．２となる。この係数Ｋ₁ から触媒温度Ｔ₁ における劣化速度Ｖ₁ は、Ｖ₁ ＝Ｖｉ（Ｔ₁ ）＝ｅｘｐ（−Ｋ₁ ／（Ｔ₁ ＋２７３））から算出される。また、区間の劣化増分量ΔＲ₁ は、区間の劣化速度Ｖ₁ と維持時間Δｔｙ₁ から、ΔＲ₁ ＝Ｖ₁ ×Δｔｙ₁ となる。そして、この維持時間後の劣化量Ｒ₂ はＲ₂ ＝Ｒ₁ ＋ΔＲ₁ となる。つまり、Ｒ₂ ＝ΔＲ₁ である。

次の触媒温度Ｔ₂ と維持時間Δｔｙ₂ が決まると、係数Ｋ₂ はＫ₂ ＝Ｋ（Ｒ₂ ）となる。この係数Ｋ₂ から触媒温度Ｔ₂ における劣化速度Ｖ₂ は、Ｖ₂ ＝Ｖｉ（Ｔ₂ ）＝ｅｘｐ（−Ｋ₂ ／（Ｔ₂ ＋２７３））から算出される。また、区間の劣化増分量ΔＲ₂ は、区間の劣化速度Ｖ₂ と区間の経過時間Δｔｙ₂ から、ΔＲ₂ ＝Ｖ₂ ×Δｔｙ₂ となる。そして、この維持時間後の劣化量Ｒ₃ はＲ₃ ＝Ｒ₂ ＋ΔＲ₂ となる。つまり、Ｒ₃ ＝ΔＲ₁ ＋ΔＲ₂ ＝ΣΔＲ_j ，（ここで、ｊ＝１〜２）である。

一般的には、触媒温度Ｔ_i とその維持時間Δｔｙ_i が決まると、係数Ｋ_i はＫ_i ＝Ｋ（Ｒ_i ）となる。この係数Ｋ_i から触媒温度Ｔ_i における劣化速度Ｖ_i は、Ｖ_i ＝Ｖ_i （Ｔ_i ）＝ｅｘｐ（−Ｋ_i ／（Ｔ_i ＋２７３））から算出される。また、区間の劣化増分量ΔＲ_i は、区間の劣化速度Ｖ_i と維持時間Δｔｙ_i から、ΔＲ_i ＝Ｖ_i ×Δｔｙ_i となる。そして、この維持時間後の劣化量Ｒ_i+1 はＲ_i+1 ＝Ｒ_i-1 ＋ΔＲ_i ＝ΣΔＲ_j ，（ここで、ｊ＝１〜ｉ）である。従って、上記の逐次計算により、全区間経過後（維持時間の総和（ΣΔｔｙ_i ）の後）の劣化量Ｒ（＝Ｒ_i+1 ）を算出できることになる。

次に、劣化量度合Ｒ／Ｒｅの算出について説明する。この劣化度合Ｒ／Ｒｅは、寿命に対する現在の使用割合を示すものであり、全区間経過後の劣化量Ｒ（＝Ｒ_i+1 ）を算出した後に、この劣化量Ｒを寿命劣化量Ｒｅで割り算し、劣化度合Ｒ／Ｒｅを算出する。この算出した劣化度合Ｒ／Ｒｅをチェックし、１００％になった場合には寿命が来たと判定する。また、この劣化度合Ｒ／Ｒｅの値を表示部６ａで表示することにより、触媒の劣化度合を運転者、使用者、検査者等に知らせることができる。また、触媒の劣化においては、熱履歴における最高温度が重要であるので、今までの最高温度Ｔｍａｘを算出し、これを表示部６ａで表示する。

上記の劣化量Ｒ、劣化度合Ｒ／Ｒｅの算出は、図２に示すような制御フローにより行うことができる。この図２の制御フローはエンジンが作動するとエンジンの制御と共に並行して実行され、エンジンの作動の停止と共に作動を停止する制御フローとして示してある。

キースイッチＯＮにより、エンジンがスタートすると、この図２の制御フローもスタートする。このスタートにより、ステップＳ１０で、前回までのデータ（劣化量Ｒ、最高温度Ｔｍａｘ，Ｋの近似式の係数等）の入力（読み込み）を行う。

次のステップＳ２０で、触媒温度Ｔ_i とその触媒温度Ｔ_i を維持した維持時間Δｔｙ_i を所定の時間間隔（例えば、０．１ｓ）毎に検出する。この触媒温度Ｔ_i と維持時間（その間の経過時間）Δｔｙ_i は、触媒温度Ｔｘが所定の温度（例えば、１０℃）刻みの温度区間のいずれかにあるかを検出し、その間の触媒温度Ｔｘは、その温度区間の代表温度Ｔ_i で近似して、触媒温度Ｔｘがその温度区間内にあった時間を維持時間Δｔｙ_i とする。例えば、触媒温度Ｔｘを測定し、所定の温度毎に分割された区分温度域のどれに入るかを判定して、その区分温度域の入っている時間を測定してその時間を維持時間Δｔｙ_i とする。その時の触媒温度Ｔ_i として、その区分の代表温度（例えば、中央値、平均値）を与える。例えば、触媒温度Ｔｘが１４０℃〜１５０℃の範囲内であるならば触媒温度Ｔ_i ＝１４５℃とする（図６参照）。

次のステップＳ３０で、この代表温度Ｔ_i と維持時間Δｔｙ_i を用いて、劣化速度Ｖ_i を算出する。この算出では、熱履歴に対する劣化は温度依存性が極めて強く、アレニウス型の指数関数の傾向を示すので、劣化速度Ｖ_i をＶ_i ＝ｅｘｐ（−Ｋ_i ／（Ｔ_i ＋２７３））の式で算出する。このＫ_i は、予め浄化率測定試験結果で求められた、劣化量Ｒ_i の関数で表示された式から、この時の劣化量Ｒ_i を用いて算出する。例えば、図５のＫを用いる場合には、Ｋ_i ＝Ｋ（Ｒ_i ）＝４８５９０×Ｒ_i ³ −４５８８５×Ｒ_i ² ＋１４７５９×Ｒ_i ＋６６９４．２の三次式で算出することになる。この劣化速度Ｖ_i に維持時間Δｔｙ_i を乗じて、劣化増分量ΔＲ_i を算出する（ΔＲ_i ＝Δｔｙ_i ×Ｖ_i ）。

次に、ステップＳ４０で劣化量Ｒ_i をＲ_i+1 ＝Ｒ_i ＋ΔＲ_i で算出し、寿命に対する現在の使用割合である劣化度合Ｒ_i+1 ／Ｒｅを算出する。この劣化度合Ｒ_i+1 ／Ｒｅを例えば％表示で表示部６ａに表示する。これにより、残寿命を運転者、使用者、検査者等に知らせる。また、この劣化度合Ｒ_ii+1／Ｒｅが１００％に達した時には触媒の寿命に達したとし、表示の色を変えたり、警報ランプを点灯させたりして警報を出す。

また、ステップＳ５０で、触媒代表温度Ｔ_i と過去の最高温度Ｔｍａｘとを比較して、触媒温度Ｔ_i の最高値Ｔｍａｘを検出し、この今までに経験した最高温度Ｔｍａｘを表示部に常時表示する。この最高値の検出は、また、触媒温度Ｔ_i を過去に経過した最高温度Ｔｍａｘ（メモリ内の）と比較し、Ｔ_i ＞Ｔｍａｘの場合のみ、Ｔｍａｘ＝Ｔ_i として最高温度Ｔｍａｘを置き換えて、最高温度用メモリ内の数値を入れ替えることで容易に行うことができる。

このステップＳ５０を終了するとステップＳ２０に戻る。このステップＳ２０〜ステップＳ５０の繰り返しにより、触媒の劣化度Ｒを算出し、劣化度合Ｒ／Ｒｅと最高温度Ｔｍａｘを表示部６ａに表示する。

そして、エンジンが停止するときには、割り込みにより、ステップＳ６０に行き、今までのデータ（劣化量Ｒ、最高温度Ｔｍａｘ）の出力（書き込み）等の終了作業を行ってから、エンドに行き、この制御フローを終了する。

よって、上記の触媒劣化量推定方法及び触媒劣化推定装置１によれば、触媒の使用時の触媒温度Ｔ_i と該触媒温度Ｔ_i の維持時間Δｔｙ_i を基に、該維持時間Δｔｙ_i 内での触媒の劣化増分量ΔＲ_i を、触媒の劣化速度Ｖ_i に前記維持時間Δｔｙ_i を乗じた値として算出し、前記維持時間Δｔｙ_i 内での前記劣化増分量ΔＲ_i を触媒使用開始時から触媒の劣化量Ｒの推定時まで積算した値ΣΔＲ_i を、該推定時までの触媒の劣化量Ｒ_i+1 とすることができる。また、それと共に、前記各維持時間Δｔｙ_i における前記劣化速度Ｖ_i を前記各維持時間Δｔｙ_i における触媒の劣化量Ｒ_i と前記各維持時間Δｔｙ_i における触媒温度Ｔ_i に対応して変化させることができる。

従って、触媒の劣化度合Ｒ／Ｒｅと寿命を精度よく推定できるので、市場でのエンジン負荷履歴等によって大きく変わる触媒の寿命を簡易的に精度よくモニターでき、適切な時期に交換の必要性を表示したり警告したりすることができる。また、熱履歴中の最高温度Ｔｍａｘを表示することで、異常高温等の履歴を生じた際にも適切に対応できる。

次に、上記のＫ値を劣化量Ｒの関数として劣化量Ｒを推定した実施例と、Ｋ値を一定にして劣化量Ｒを推定した比較例について説明する。

図４に、触媒温度が所定の一定温度（８００℃）である場合の触媒の浄化率ｒｙと経過時間（熱履歴時間）ｔｙとの関係（白丸：点線）を示す。この図４から分かるように、初期に性能の低下が大きく、その後は徐々に鈍化していることが分かる。つまり、この浄化率ｒｙと経過時間ｔｙとの間には直線関係は無い。この傾向は触媒には一般的な事柄として知られている。この結果よりＫの値は一定値ではなく、何かをパラメータにした変数であることが予測できる。

一方、図７には触媒温度が所定の一定温度である場合の触媒の浄化率ｒｙと劣化量Ｒとの関係を示すが、この浄化率ｒｙと劣化量Ｒとの間には明確な直線関係がある。従って、触媒の寿命を定義するための浄化率ｒｙは劣化量Ｒで規定できることが分かる。

また、図８に、この係数Ｋを劣化量Ｒの三次式近似とした実施例（実線）と、この係数Ｋを一定として劣化速度Ｒを算出した比較例（点線）における、触媒温度が２５０℃における劣化速度Ｖの初期値Ｖ０に対する変化を示す。実施例のように、係数Ｋを劣化量Ｒの三次式近似とすると、経過時間（使用時間）ｔｙと共に減少する傾向を示す。一方、比較例のように係数Ｋを一定するとこの劣化速度変化も一定値（１００％）の直線となる。つまり、劣化速度Ｖは変化しない。この比較例を見るとＫは実施例のように劣化の進行をパラメータとした関数で表現すべきであることが分かる。

図９に、この係数Ｋを劣化量Ｒの三次式近似とした実施例（黒丸：実線）と、この係数Ｋを一定として劣化速度を算出した比較例（白丸：点線）において、各触媒温度Ｔｃにおける触媒の浄化率が１５％低下するまでの使用時間（寿命）ｔ_15% を算出した結果を示す。

また、図１０に係数Ｋを一定とした比較例における触媒温度Ｔｃと２５０℃に対する劣化速度Ｖの倍率（２５０℃の劣化速度Ｖ₂₅₀ との比率）を示す。つまり、触媒温度が２５０℃での劣化速度Ｖ₂₅₀ を１とした時、各触媒温度での劣化速度Ｖは、触媒温度Ｔｃが上がると劣化速度Ｖは指数関数的に増大する。従って、触媒温度Ｔｃと劣化を示す指標を一次関数で表記して劣化を予測することはできないことが分かる。

これらの結果から、比較例の係数Ｋを一定とするロジックでは、実際の触媒の劣化進行度合を精度よく予測することができないことが分かる。従って、比較例では、規定した劣化寿命に至るまでのかなり早い時期に触媒が寿命に達したと判定する可能性強く、ユーザーに対する交換指示等を早期に行って、無用の負担を強いて、メンテナンスコストを増大させる可能性がある。

本発明に係る実施の形態の触媒劣化度合推定装置の構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態の触媒劣化度合推定方法の制御フローの例を示す図である。 触媒の浄化率測定試験結果の経過時間別の触媒温度と浄化率の関係を示す図である。 触媒の浄化率測定試験結果の経過時間と浄化率の関係を示す図である。 触媒の浄化率測定試験結果から求めた、劣化量と係数Ｋの関係と、劣化量と劣化進行後の初期値に対する劣化速度変化割合の関係を示す図である。 触媒温度の時系列における触媒温度とその維持時間との関係を示す図である。 劣化量と浄化率の関係を示す図である。 実施例と比較例における使用時間と初期値に対する劣化速度変化の関係を示す図である。 実施例と比較例における触媒温度と使用時間の関係を示す図である。 比較例における触媒温度と２５０℃に対する劣化速度の倍率の関係を示す図である。

符号の説明

１ 触媒劣化度合推定装置
２ エンジン（内燃機関）
３ 排気通路
４ 触媒
５ 温度センサ（触媒温度測定手段）
６ コンピュータ（維持時間検出手段、演算手段、表示部）
６ａ 表示部

Claims (9)

1. 触媒の使用時の触媒温度と該触媒温度の維持時間を基に、該維持時間内での触媒の劣化増分量を、触媒の劣化速度に前記維持時間を乗じた値として算出し、前記維持時間内での前記劣化増分量を触媒使用開始時から触媒の劣化量の推定時まで積算した値を、該推定時までの触媒の劣化量とすると共に、前記各維持時間における前記劣化速度を前記各維持時間における触媒の劣化量と前記各維持時間における触媒温度に対応して変化させることを特徴とする触媒劣化量推定方法。
2. 前記維持時間内における、前記触媒温度をＴi（℃）、前記劣化速度をＶi、前記劣化量をＲiとした時に、前記劣化量Ｒiに応じて決まる係数Ｋiを用いて、前記劣化速度Ｖi
   を、Ｖi＝ｅｘｐ（−Ｋi／（Ｔi＋２７３））で算出することを特徴とする請求項１記載の触媒劣化量推定方法。
3. 前記係数Ｋiと前記劣化量Ｒiとの関係を、対象とする触媒を所定の一定温度Ｔｅで所定の時間Δｔｙ維持した後に、単一又は複数の実用的な所定の浄化温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・で浄化率ｒｙを測定することを繰り返して、経過時間ｔｙと浄化率ｒｙとの関係を求める浄化率測定試験から得られるデータを基に設定することを特徴とする請求項２記載の触媒劣化量推定方法。
4. 前記所定の一定温度Ｔｅでの経過時間の区間Δｔｙiにおける劣化増分量Δｒｙiを用いて、経過時間の区間Δｔｙiにおける劣化速度Ｖi（Ｔｅ）をＶi（Ｔｅ）＝Δｒｙi／Δｔｙiで算出し、経過時間の区間Δｔｙiにおける前記係数Ｋiを、Ｋi＝−（Ｔｅ＋２７３）×Ｌｎ（Ｖi（Ｔｅ））で算出すると共に、経過時間の区間Δｔｙiにおける劣化量Ｒiを前記経過時間ｔｙと前記浄化率ｒｙの関係から算出し、経過時間の区間Δｔｙiにおける前記係数Ｋiと前記劣化量Ｒiの関係から、前記係数Ｋiを前記劣化量Ｒiに応じて決めることを特徴とする請求項３記載の触媒劣化量推定方法。
5. 触媒の使用時の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、前記触媒温度の維持時間を検出する維持時間検出手段と、演算手段を備え、
   該演算手段が、前記触媒温度検出手段で検出した触媒の使用時の触媒温度と、前記維持時間検出手段で検出された前記触媒温度の維持時間を基に、該維持時間内での触媒の劣化増分量を、前記触媒温度における触媒の劣化速度に前記維持時間を乗じた値として算出し、前記劣化増分量を触媒使用開始時から触媒の劣化量の推定時まで積算した値を、該推定時までの触媒の劣化量とすると共に、前記各維持時間における前記劣化速度を前記各維持時間における触媒の劣化量と前記各維持時間における触媒温度に対応して変化させることを特徴とする触媒劣化量推定装置。
6. 前記演算手段が、前記維持時間内における、前記触媒温度をＴi（℃）、前記劣化速度をＶi、前記劣化量をＲiとした時に、前記劣化量Ｒiに応じて決まる係数Ｋiを用いて、前記劣化速度Ｖiを、Ｖi＝ｅｘｐ（−Ｋi／（Ｔi＋２７３））で算出することを特徴とする請求項５記載の触媒劣化量推定装置。
7. 前記演算手段において、前記係数Ｋiと前記劣化量Ｒiとの関係が、対象とする触媒を所定の一定温度Ｔｅで所定の時間Δｔｙ維持した後に、単一又は複数の実用的な所定の浄化温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・で浄化率ｒｙを測定することを繰り返して、経過時間ｔｙと浄化率ｒｙとの関係を求める浄化率測定試験から得られるデータを基に設定されていることを特徴とする請求項６記載の触媒劣化量推定装置。
8. 前記演算手段において、前記所定の一定温度Ｔｅでの経過時間の区間Δｔｙiにおける劣化増分量Δｒｙiを用いて、経過時間の区間Δｔｙiにおける劣化速度Ｖi（Ｔｅ）がＶi（Ｔｅ）＝Δｒｙi／Δｔｙiで算出され、経過時間の区間Δｔｙiにおける前記係数Ｋiが、Ｋi＝−（Ｔｅ＋２７３）×Ｌｎ（Ｖi（Ｔｅ））で算出されると共に、経過時間の区間Δｔｙiにおける劣化量Ｒiが前記経過時間ｔｙと前記浄化率ｒｙの関係から算出され、経過時間の区間Δｔｙiにおける前記係数Ｋiと前記劣化量Ｒiの関係から、前記係数Ｋiが前記劣化量Ｒiに応じて決められるように設定されていることを特徴とする請求項７記載の触媒劣化量推定装置。
9. 更に、前記演算手段で算出された結果を表示する表示部を備え、前記劣化量Ｒiを予め設定された寿命劣化量Ｒｅで除して算出された劣化度合Ｒi／Ｒｅと、触媒の熱履歴中の最高温度の少なくとも一方を、前記表示部に表示することを特徴とする請求項６、７、又は、８記載の触媒劣化量推定装置。

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